Verfahren zur Herstellung von Lösungen, Emulsionen oder Suspensionen, insbesondere beim biologischen Reinigen freier Gewässer, und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lösungen, Emulsionen oder Suspensionen, insbeson dere beim biologischen Reinigen von freien Gewässern, bei welchem Verfahren in ein fluides Medium, das sich innerhalb eines Gefässes befindet, Sekundärkomponenten zugeführt werden, wobei durch Rühren diese Sekundär komponenten in das fluide Medium eingemischt werden; die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, dass stehende oder langsam fliessende
Flüssigkeiten - die beispielsweise in grossen Behältern untergebracht sind oder auch freie Gewässer sein kön nen - eine wesentlich geringere Selbstreinigungskraft bb sitzen als etwa schneller bewegte Flüssigkeiten bzw.
strömende Gewässer. In strömenden Flüssigkeiten sin ken beispielsweise leichte organische Partikeln erfahrungsgemäss bei Strömungsgeschwindigkeiten von etwa
20 cm/sek noch nicht ab#; erst bei langsamerer Strömung beginnt in der Flüssigkeit die relative Sedimentation der darin als Schwimmstoffe bzw. als Sinkstoffe enthaltenen organischen Substanzen. In strömenden Gewässern ist nämlich diese höhere Selbstreinigungskraft unter ande rem dadurch bedingt, dass durch Zersetzung von darin enthaltenen organischen Substanzen zuerst molekularer
Sauerstoff verbraucht und dieser dann aus der über dem
Gewässer befindlichen Frischluft relativ rasch wieder er setzt wird; in strömenden Gewässern (Flüssen) wird also die darin stattfindende sogenannte Bio-Produktion: > durch die natürliche Strömung erheblich unterstützt bzw.
gesteuert.
In stationären oder in ganz langsam fliessenden Ge wässern - wie in Seen, Speichern, Klärbecken usw. erreicht dagegen die relative Sedimentation der verschie denen Schwimmstoffe und Sinkstoffe, organischen Partikeln und dergleichen einen Höchstwert - also quasi einen Sättigungswert. Ein Teil dieser organischen Substanzen wird zwar bereits während des Absinkens zersetzt, wobei jedoch in den oberen Wasserschichten ein Sauerstoffdefizit entsteht; in der Folge steigt dann allerdings zwangläufig die relative Sedimentation und mit derselben in den tieferen Wasserschichten die sogenannte Sauerstoff-Zehrung weiter an, bis schliesslich in den unteren Schichten eine Übersättigung an abgelagerter organischer Substanz erreicht wird - und dadurch ein Endzustand von praktisch totaler Sauerstoffzehrung.
In stehendem Gewässer würden daher für die Zersetzung der dauernd absinkenden toten organischen Substanzen erheblich grössere Sauerstoffmengen benötigt werden als in fliessendem Wasser. Das Ergebnis dieser Vorgänge ist, dass in Seen und sonstigen stillstehenden Gewässern die Wassergüte ständig und vielfach schon in katastrophaler Weise abnimmt - das ist die sogenannte Eutrophierung - mit allen ihren nachteiligen Folgeerscheinungen wie: Sauerstoffmangel, Bildung von Faulschiamm und anderes mehr.
Es wird daher angestrebt, in stationären und quasistationären Gewässern die zunehmende relative Sedimentation der darin enthaltenen organischen Substanzen bzw. die Entrophierung dieser Gewässer und ihre oben beschriebenen schädlichen Folgen insgesamt durch ge eignet Massnahmen weitestgehend zu verhindern - d. h.
also in solchen Gewässern insbesondere durch Förderung der Oxydationsprozesse der Sauerstoffzehrung entgegenzuwirken und dadurch die Selbstreinigungskraft der Ge wässer zu vergrössern.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch Rühren der zu behandelnden Masse mittels eines rotierenden, in Bodennähe in der Achse des Gefässes angeordneten Rührorgans unter BB dung eines zentralen, abwärts gerichteten Sogwirbels mindestens annähernd eine Zyklonströmung erzeugt wird.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Ausführungen der erfindungsgemässen Vorrichtung erläutert und auch die Wirkungsweise des mit derselben durchgeführten Behandlungsverfahrens veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 und la eine derartige Vorrichtung als geschlossenes, eiförmiges Reaktionsgefäss im vertikalen Mittelschnitt und im Querschnitt A-A der Fig. 1,
Fig. 2 eine Variante eines geschlossenen, eiförmigen Reaktionsgefässes,
Fig. 3 ein gleichfalls, im wesentlichen eiförmiges, jedoch am oberen Rande offenes Reaktionsgefäss,
Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsformen von Rühraggregaten als offene, kalottenförmige Schalen - im Mittelschnitt¯, welche beispielsweise zum versenkten Einsatz in grossräumige Behälter bzw. in freie Gewässer bestimmt sind.
Die in Fig. 1 und 1 a dargestellte Vorrichtung besteht aus einem geschlossenen, eiförmigen Reaktionsgefäss 1, dessen Meridianschnitt mindestens über seinen wesentlichen Teil einer Exponentialfunktion entspricht (logarith- mische Spirale), welche in Polar-Koordinaten mit der allgemeinen Gleichung r = as bzw. r =ar + b dargestellt ist - im speziellen Fall auch r = er + b dabei sind a und b beliebige Konstante, e die Basis der natürlichen Logarithmen. Diese exponentiellen Hauptabschnitte des eiförmigen Gefässes 1 gehen in den Scheitelbereichen im allgemeinen in eine parabolische oder hyperbolische Profilierung über.
In dieses eiförmige Reaktionsgefäss 1 ist ein zu behandelndes fluides Medium bzw. eine Flüssigkeit eingefüllt; durch die im oberen Scheitel des Reak tionsgefässes 1 angeordnete Öffnung oder Düse 2 strömt nun im einfachsten Falle Frischluft ein bzw. durch diese Öffnung 2 werden auch zusätzlich feste, flüssige oder gasförmige Stoffe M oder auch organische Substanzen, allenfalls unter Überdruck, eingebracht - jeweils selbstverständlich pulverförmig bzw. in kleinen Partikeln -, welche in die im Reaktionsgefäss 1 vorhandene Flüssigkeit eingemischt werden sollen.
Im unteren Scheitelpunkt dieses Behandlungsgefässes 1 ist ein mittels einer Welle 3 antreibbares Rührorgan 4 eingesetzt - das hier einfiüge- lig ausgebildet ist - und durch dessen Rotation der gesamte Inhalt des Reaktionsgefässes 1 in eine geordnete, räumliche Einroll-, Umlauf- und Umwälzbewegung gebracht wird, bei welcher sich vor allem ein zentraler Sogwirbel S bildet, der also von der Fiüssigkeitsoberflä- che vertikal abwärts gegen das Rührorgan 4 gerichtet ist;
diese räumliche Umwälzbewegung ist im übrigen - wie in Fig. 1 durch die beiden Pfeilsysteme angedeutet eine sogenannte Zyklonströmung, bei welcher einer Po tentialwirbelsenke eine vertikale, torusförmige Sekundärströmung überlagert ist, welche entlang der Gefässwand aufwärts und neben dem zentralen Sogwirbel S wieder abwärts geführt ist. In Fig. la ist insbesondere ersicht lief, wie die einzelnen Flüssigkeitspartikein P auf ihrer wendelförmigen Zirkulationsbahn im allgemeinen zusätzlich eine eigene Rotation p ausführen - durch welche insgesamt also sozusagen eine planetare Umlaufbewegung entsteht.
Fig. 2 zeigt gleichfalls ein geschlossenes, eiförmiges Reaktionsgefäss 5, jedoch mit dem breiten Ende unten, in welches hier eine Antriebswelle 3 mit einem zweiflügeligen Rührorgan 4' eingesetzt ist; an diesem Reaktionsgefäss 5 ist weiters an seinem oberen Abschnitt seitlich ein waagrechtes Zuführungsrohr 6 angesetzt, durch dessen Mündung 6' die vorgesehenen Sekundärstoffe bzw. organischen Substanzen M in die zu behandelnde Flüssigkeit F nahe unter ihrer Oberfläche tangential eingeführt werden.
Ferner ist an diesem eiförmigen Reaktionsgefäss 5 an seinem oberen Scheitel ein Tubus 7 angebracht und in denselben ein Filter oder eine Linse 8 eingesetzt; durch dieses Filter 8 können nun von einer axial über dem Reaktionsgefäss 5 angeordneten Energiestrahlungsquelle 9 während des Betriebes Energiepartikeln - wie Elektronen, Photonen usw. - in das zu behandelnde Medium bzw. in die Flüssigkeit eingestrahlt werden.
In solchen geschlossenen, eiförmigen Reaktionsbehältern gemäss Fig. 1 bzw. 2 spielt sich nun bei Durchführung irgendwelcher chemischer oder physikalischer Reaktionen bzw. biologischer Prozesse im wesentlichen folgender Vorgang ab: Innerhalb der im eiförmigen Reaktionsgefäss 1 bzw. 5 eingeschlossenen Flüssigkeitsmasse F werden dessen einzelne Partikeln P im Zusammenwirken der verschiedenen Strömungskomponenten der Umlauf- und Umwälzbewegung insgesamt etwa in der äusseren Zone des Innenraumes wendelförmig aufwärts, in den oberen Schichten des Mediums - d. h. unter seiner Oberfläche - etwa spiralförmig einwärts und schliesslich im Bereich des zentralen Sogwirbels S in immer enger werdenden Bahnen abwärts geführt.
In das zu behandelnde Medium bzw. in die Flüssigkeit werden nun durch diese beschriebene Umwälzbewegung entwe- der die in das Reaktionsgefäss 1 durch die obere Öffnung 2 eingeführte Frischluft oder/und die zusätzlich vorgesehenen Sekundärstoffe M - bzw. im zweiten Fall die durch das seitliche Zuführungsrohr 6 direkt in die Flüssigkeit eingeführten Substanzen M - entlang des zentralen, vertikalen Sogwirbels S abwärts gesogen und intensiv eingemischt, wodurch die beabsichtigte Aufbereitung der Flüssigkeit durchgeführt bzw. eine bestimmte chemische Reaktion oder ein biologischer Prozess herbeigeführt wird.
Fig. 3 zeigt lediglich eine Variante der bisher beschriebenen Vorrichtung, bei welcher jedoch das gleichfalls eiförmige Reaktionsgefäss 10 an seinem oberen Rande offen - also kelchartig ausgebildet - ist; im unteren Scheitelpunkt ist wiederum eine Welle 3 mit einem einflügeligen Rührorgan 4 eingesetzt. Dieses offene Reaktionsgefäss kann nun entweder zur Behandlung bzw.
zur Aufbereitung von darin eingefüllten Flüssigkeiten F verwendet werden oder zum Einsatz in Flüssigkeiten, welche in einem grossräumigen Behälter untergebracht sind bzw. zum Einsatz in freie Gewässer F'.
Die in Fig. 4 und 5 veranschaulichten, offenen Rührt aggregate sind ausschliesslich zum versenkten Einsatz in eine Flüssigkeit F' beliebiger Art bestimmt - sei es beispielsweise innerhalb eines grossräumigen Behälters, sei es vorzugsweise in stehende oder in langsam fliessende, natürliche Gewässer.
Im ersten Falle (Fig. 4) besteht das eigentliche Rühraggregat selbst aus einer breiten, kalottenförmigen Schale 20, die im wesentlichen aus dem Scheitel abschnitt eines eiförmigen Behälters von der oben näher beschriebenen, exponentiellen Profilform gebildet und auf einem Stativ 21 montiert ist; in dieser offenen Schale 20 ist nun im unteren Scheitelpunkt wiederum eine von einem Motor 22 angetriebene Welle 23 eingesetzt, auf welcher ein emfillgeliges Rührorgan 24 befestigt ist. Das gesamte offene Rühraggregat 20-24 ist mit seinem Stativ 21 am Boden eines grossen, geschlossenen oder offenen Flüs sigkeftsbehälters 25 aufgestellt - welcher beispielsweise ein Sammeltank, ein Bassin, ein Klärbecken, ein Wasserreservoir oder dergleichen sein kann.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist das offene Rühraggregat wieder als kalottenförmige Schale 30 ausgebildet, die hier dem schlankeren, etwa paraboloidisch geformten Scheitelabschuitt eines eiförmigen Behälters entspricht; in diese offene Schale 30 ist unten eine antreibbare Hohlwelle 33 eingesetzt, die das emfiügelige Rührorgan 34 trägt; durch diese Hohlwelle 33 ist die über der offenen Schale 30 befindliche- von der Umwälzbewegung erfasste - Flüssigkeitsmasse F mit der das Rühraggregat umgebenden Flüssigkeit F' kommunizierend verbunden.
Auch über solchen offenen, schalenförmigen Rühraggregaten 20 bzw. 30 kann selbstverständlich eine Energlestrahiungsqueile angeordnet sein, mittels welcher die zu behandelnde Flüssigkeit F'-F in geeigneter Weise mit Energiepartikeln benuf- schlagt werden kann.
Die Wirkungsweise dieses Typs von offenen, kalottenförmigen Rühraggregaten, die in eine zu behandelnde Flüssigkeit bzw. in ein freies, stationäres Gewässer eingesetzt werden können, ist aus dem bisher Gesagten ohne weiteres verständlich: In der über der offenen Schale 20 bzw. 30 stehenden Flüssigkeitsmasse F - also etwa innerhalb der strichpunktiert angedeuteten Grenzschichte f wird im wesentlichen eine gleichartige geordnete, räumliche Einroll-, Umlauf- und Umwälzbewegung mit einem zentralen, abwärts gerichteten Sogwirbel S erzeugt wie in geschlossenen, eiförmigen Reaktionsgefässen (Fig. 1 und 2).
Bei der Ausführungsform des Rühraggregates gemäss Fig. 5 mit hohler Antriebswelle 33 des Rühren gans 34 kann beispielsweise in den von der Umwälzbewegung erfassten Flüssigkeitskörper F aus der umgebenden Flüssigkeit F' eine gewisse Menge in Richtung des Pfeiles S' aufwärts eingesogen werden.
Bei Verwendung dieser Vorrichtungen zur jeweils beabsichtigten Aufbereitung oder Behandlung von fluiden Medien oder Flüssigkeiten - sei es in der einen Form als Reaktionsgefäss oder in der anderen als offenes Rühraggregat - wird bereits bei Antrieb des eingesetzten Rührorgans mit verhältnismässig geringem Energieaufwand eine beachtlich grosse Flüssigkeftsmasse F erfasst und darin eine ausreichende, intensive Umwälzbewegung hervorgerufen; d. h. sowohl in geschlossenen oder offenen Reaktionsgefässen 1, 5 bzw. 10 gemäss Fig. 1, 2 und 3 als auch in offenen, kalottenförmigen Rühraggregaten 10 bzw. 20; 30 gemäss Fig. 3, 4 und 5 kann daher in einem verhältnismässig grossen Reaktionsgefäss bzw.
in einer weiten offenen Schale ein verhältnismässig kleines Rührorgan 4, 4' bzw. 24, 34 eingesetzt sein, weiches relativ schnell rotierend angetrieben ist; insbesondere können die in freie Gewässer eingesetzten offenen, ka lottenförmigen Rühraggregate 10 bzw. 20; 30 (Fig. 4 und 5) in Vergleich zu dem darüber befindlichen Flüssigkeitskörper F relativ klein gehalten sein. Bei Betrieb der geschlossenen oder offenen Geräte mit einem relativ schnell rotierenden Rührorgan wird der von der Umwälzbewegung erfasste Flüssigkeitskörper nach einiger Zeit Resonanzerscheinungen zeigen; in diesem Zustande kann dann durch Steigerung der Drehzahl des Rührorgans mit nur geringem Energieaufwand die Intensität der geordneten Umwälzbewegung noch erheblich gesteigert werden.
Das beschriebene Behandlungsverfahren in seinen verschiedenen Varianten und die Ausführungsformen der zugehörigen Vorrichtung können mit Vorteil zur Durchführung von verschiedenartigsten physikalischen Vorgängen, chemischen Reaktionen oder auch biologischen Prozessen verwendet werden; dieses Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen sind insbesondere dazu bestimmt, um in fluiden Medien bzw. in Flüssigkeiten in Verbindung mit entsprechenden Sekundärkomponenten Gemische, Lösungen, Emulsionen, Suspensionen und dergleichen in besonders einwandfreier und wirkungsvoller Weise herzustellen oder auch Getränke mit Zusatzstoffen aufzubereiten, wobei die den Flüssigkeiten zugeführten Sekundärkomponenten beliebige feste, flüssige oder/und gasförmige Stoffe bzw. auch organische Substanzen oder lebende Organismen sein können;
das Verfahren bzw. die Vorrichtung dient aber vor allem zur biologischen Reinigung bzw. zur Selbstreinigung von natürlichen Gewässern - vorzugsweise von Seen, Bassins, Klärbecken, Speicheranlagen, Reservoiren für die Wasserversorgung usw.
Durch den Sogwirbel - der sich nach unten hin verjüngt und dementsprechend auch zunehmend schneller dreht - wird nun im einfachsten Falle, wie z. B. bei na natürlichen Gewässern, aus der über dem Fiüssigkeitsspie- gel befindlichen Atmosphäre Luft und damit molekularer Sauerstoff in die Flüssigkeit - die beispielsweise mit organischen Partikeln und sonstigen Stoffteilchen vermengt ist - rasant einge & gen und bereits entlang der vertikalen Fallstrecke dieses zentralen Sogwirbels bzw.
im Zuge der weiteren Umlauf- und Umwälzbewegung eine innige Durchmischung der gesamten Flüssigkeit mit diesem zugeführten Sauerstoff und möglichst gleichmä ssige Verteilung desselben erreicht.
Es hat sich gezeigt, dass gerade durch die vorgeschriebene spezielle Profilform des zu verwendenden Rühraggregates - sei es nun als geschlossenes Reaktionsg# fäss oder als offene, kalottenförmige Schale - nach einer in Polarkoordinaten dargestellten Exponentialfunktion (logarithmische Spirale) in überraschender Weise alle diese durch das darin eingesetzt rotierende Rührorgan erzeugten Emsaug- und Umwälzbewegungen intensiviert und verstärkt werden.
Gegenüber den bisher verwendeten Behandlungsmethoden wird also bei Reaktionen und Prozessen - wie beispielsweise bei der biologischen Reinigung von Gewässern - welche nach dem neuen Verfahren durchgeführt werden, durch die erwähnte Form gebung der Rühraggregate nach einer Exponentialfunktion ein wesentlich höherer - unter Umständen sogar ein um Grössenordnungen höherer - Wirkungsgrad erzielt; d. h. in bezug auf die von den Rühraggregaten aufgenommene Antriebsleistung wird ein mehrfach grösserer Reaktionseffekt erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des neuen Verfahrens ist das zu behandelnde Medium bzw. die Flüssigkeit in einem grossräumigen, geschlossenen Behälter untergebracht - beispielsweise in einem geschlossenen Grossbottich, einem Sammeltank, einer Speicheranlage, einem Wasserreservoir oder dergleichen - in welchem über der Flüssigkeit zusätzlich flüssige oder/und gasförmige Sekundärstoffe, allenfalls Frischluft, oder/und auf der Flüssigkeitsoberfläche Partikeln fester Stoffe bzw.
von organischen oder lebenden Substanzen eingelagert sind bzw. in welchem Behälter die betreffenden Sekundärstoffe während des Betriebes von aussen zugeführt werden, und dass mittels eines oder mehrerer, in die eingeschlossene Flüssigkeit versenkt eingesetzter Rühraggregate, die als offene, kalottenförmige Schalen ausgebil det sind, diese Zusatzstoffe bzw. Zusatzsubstanzen durch den zentralen Sogwirbei vertikal hineingezogen und intensiv eingemischt werden.
Bei einer anderen Variante dieser zuletzt erwähnten Anordnung sind in einem im wesentlichen stationären naéürlichen Gewässer - das sich vorzugsweise in einem Bassin, einem Klärbecken, einem See oder dergleichen befindet - ein oder mehrere Rühraggregate versenkt eingesetzt, die als offene, kalottenförmige Schalen ausgebil- det sind, mittels welcher zur Belüftung des Wassers Au ssenluft durch den zentralen Sogwirbel vertikal hineingezogen und intensiv eingemischt wird. In freien, natürlichen Gewässern werden diese offenen Rühraggre gate zweckmässig oberhalb der sogenannten Sprungschicht bzw. in der Zone der grössten Bioproduktion eingesetzt - und zwar im allgemeinen an mehreren Stellen gleichzeitig oder/und allenfalls auch nacheinander.
Sowohl im Falle der Behandlung von Flüssigkeiten in offenen oder geschlossenen, grossräumigen Behältern als auch in freien Gewässern kann zweckmässig in den Bereich des über einem versenkt eingesetzten, offenen Rühraggregat gebildeten, bewegten Flüssigkeitskörpers zu sätzlich noch ein Anteil der zu behandelnden Flüssigkeit tangential zugeführt werden, wodurch die durch das Rühraggregat erzeugte horizontale Zirkulation unterstützt wird.
Bei dieser Behandlung von freien, stationären Gewässern wird also das Wasser - in welchem organische Partikeln und allenfalls noch sonstige Stoffteilchen als Schwimmstoff bzw. als Sinkstoff vorhanden sind - entlang des zentralen Sogwirbels mit der durch denselben eingesogenen Frischluft intensiv belüftet; und innerhalb des über dem offenen Rühraggregat stehenden Flüssigkeitskörpers, welcher von der weiteren, kontinuierlichen Umwälzbewegung erfasst ist, werden die im Wasser enthaltenen organischen Substanzen aus den oberen Schichten hin abgezogen bzw. aus den unteren in höhere Niveaus angehoben und mit dem eingesogenen molekularen Sauerstoff in innigste Berührung gebracht.
In stationären Gewässern bzw. in so langsam fliessenden, deren geringe Strömungsgeschwindigkeit für die erforderliche Selbstreinigungskraft nicht ausreicht, kann durch Anwendung des Verfahrens mit seiner lokalen Umlaufund Umwälzbewegung praktisch die gleiche physikalische und produktionsbiologische Wirkung und damit die gleiche Selbstreinigungskraft erzielt werden wie in kontinuierlich strömenden Gewässern (Flüssen); dieses Verfahren ist insbesondere auch geeignet, auf dem Gebiet der Abwasserreinigung die vielschichtigen physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse zu beschleunigen bzw. in einem bestimmten gewünschten Sinne zu beeinflussen.
Bei Behandlung von anderen, in grossen - offenen oder geschlossenen - Behältern untergebrachten Flüssigkeiten spielt sich selbstverständlich zwischen der Flüssigkeit und den zusätzlich eingeführten - puiverför- migen, flüssigen oder gasförmigen - Sekundärstoffen bzw. -partikeln durchaus ein völlig gleichartiger Durch mischungsvorgang ab.
Es kann schliesslich vorgesehen werden, die zu behandelnde Flüssigkeit - sei es innerhalb eines eiförmigen Reaktionsgefässes, sei es in einem grossräumigen Behandlungsbehälter bzw. im freien Gewässer - während der in ihr erzeugten, räumlichen Umwälzbewegung zusätzlich mit Energiepartikeln, wie z. B. Elektronen, mit Photonen usw., zu beaufschlagen, welche von einer über dem Flüssigkeitsspiegel angeordneten Strahlungsquelle emittiert und in die Flüssigkeit in axialer Richtung - vorzugs- weise entlang des zentralen, vertikalen Sogwirbels - eingebracht werden.
Wird das betreffende Medium bzw. die Flüssigkeit auf diese Art beispielsweise mit Elektronen oder mit anderen Energiepartikeln beaufschlagt, dann kann dadurch unter Umständen seine bzw. ihre molekulare Struktuierung in einem bestimmten, gewünschten Sinne beeinflusst werden; so kann insbesondere bei Einstrahlung von UV-Photonen die dadurch in bekannter Weise erreichbare Tötung von Keimen besonders intensiviert werden.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung von Lösungen, Emulsionen oder Suspensionen, insbesondere beim biologischen Reinigen von freien Gewässern, bei welchem Verfahren in ein fluides Medium, das sich innerhalb eines Gefässes befindet, Sekundärkomponenten zugeführt wef- den, wobei durch Rühren diese Sekundärkomponenten in das fluide Medium eingemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch Rühren der zu behandelnden Masse mittels eines rotierenden, in Bodennähe in der Achse des Gefässes angeordneten Rührorgans unter Bildung eines zentralen, abwärts gerichteten Sogwirbels (S) mindestens annähernd eine Zyklonströmung erzeugt wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man zwecks Aufbereitung von Getränken mineralische Stoffe, Spurenelemente oder Kohlensäure (com) beimischt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gefäss in stationäre oder langsam fliessende, natürliche Gewässer einsetzt.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als Sekundärkomponenten feste, flüssige und/oder gasförmige Stoffe beimischt.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass in das z. B. eiförmige Gefäss (1, 5), in welchem sich die Flüssigkeit (F) befindet, die Sekundärkomponenten (M) von aussen durch eine Öffnung (2, 6') in der Gefässwand - vorzugsweise unter Überdruck eingeführt werden.
5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkomponenten (M) wenigstens annähernd axial durch eine im Gefäss (1) oben angeordnete Öffnung (2) eingebracht werden, wo sie durch den zentralen Sogwirbel (S) in die eingeschlossene Flüssigkeit (F) hineingezogen werden.
6. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das eiförmige Gefäss (5) durch eine seitlich - vorzugsweise nahe unter dem Flüssigkeitsspie gel- angeordnete Öffnung (6') die Sekundärkomponenten (M) mindestens annähernd tangential direkt in die Flüssigkeit eingeführt werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als Gefäss (25) einen geschlossenen Grossbottich, einen Sammeltank oder ein Wasserreservoir benützt, in welchem sich zu behandelnde Flüssigkeit (F') befindet, und dass man über derselben flüssige oder/und gasförmige Sekundärkomponenten - z. B.
Frischluft - oder/und auf der Flüssigkeitsoberfläche Partikeln von organischen oder lebenden Substanzen einlagert, oder dass man die betreffenden Sekundärstoffe während des Betriebes von aussen zuführt, und dass man mittels eines oder mehrerer, in die eingeschlossene Flüssigkeit (F') versenkt eingesetzter Rühraggregate, die als offene, kalottenförmige Schalen (10, 20, 30) ausgebildet sind, diese Sekundärkomponenten so beigibt, dass sie durch den zentralen Sogwirbei (S) vertikal hineingezogen und intensiv eingemischt werden.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
Process for the production of solutions, emulsions or suspensions, in particular for the biological cleaning of open waters, and device for carrying out the process
The invention relates to a method for the production of solutions, emulsions or suspensions, in particular in the biological cleaning of open waters, in which method secondary components are fed into a fluid medium that is located within a vessel, with stirring these secondary components in the fluid medium are mixed in; the invention also relates to an apparatus for carrying out this method.
It is known to be standing or slow flowing
Liquids - which are housed in large containers or can also be open bodies of water - have a significantly lower self-cleaning power bb than, for example, faster moving liquids or liquids.
flowing waters. Experience has shown that light organic particles, for example, sink in flowing liquids at flow speeds of around
20 cm / sec not yet from #; Only when the current is slower does the relative sedimentation of the organic substances contained in the liquid begin as floating or suspended matter. In flowing waters, this higher self-cleaning power is due, among other things, to the fact that the organic substances contained therein first become more molecular due to the decomposition
Oxygen is consumed and this then from the over the
Fresh air in the water is relatively quickly restored; In flowing waters (rivers) the so-called bio-production that takes place in them is:> significantly supported or supported by the natural current
controlled.
In stationary or very slowly flowing waters - such as in lakes, reservoirs, clarifiers, etc., on the other hand, the relative sedimentation of the various floating and suspended matter, organic particles and the like reaches a maximum value - i.e. a saturation value, so to speak. Some of these organic substances are already decomposed during the sinking process, but an oxygen deficit arises in the upper water layers; As a result, however, the relative sedimentation inevitably increases and with it the so-called oxygen depletion in the deeper water layers, until finally a supersaturation of deposited organic matter is reached in the lower layers - and thus a final state of practically total oxygen consumption.
In stagnant water, therefore, considerably larger amounts of oxygen would be required for the decomposition of the permanently sinking dead organic substances than in running water. The result of these processes is that in lakes and other stagnant bodies of water the water quality is constantly and often in a catastrophic way - this is the so-called eutrophication - with all its disadvantageous consequences such as: lack of oxygen, the formation of silt and other things.
The aim is therefore to use appropriate measures to prevent the increasing relative sedimentation of the organic substances contained therein or the entrophication of these waters and their harmful consequences as described above as far as possible in stationary and quasi-stationary waters - d. H.
thus counteracting the oxygen consumption in such waters, in particular by promoting the oxidation processes, and thereby increasing the self-cleaning power of the Ge waters.
The method according to the invention is characterized in that at least approximately a cyclonic flow is generated by stirring the mass to be treated by means of a rotating agitator arranged near the bottom in the axis of the vessel with a central, downward suction vortex.
The invention is then explained, for example, on the basis of embodiments of the device according to the invention and the mode of operation of the treatment method carried out with the same is also illustrated. Show it:
Fig. 1 and la such a device as a closed, egg-shaped reaction vessel in vertical center section and in cross section A-A of Fig. 1,
2 shows a variant of a closed, egg-shaped reaction vessel,
3 shows a likewise, essentially egg-shaped reaction vessel, however, open at the upper edge,
4 and 5 two embodiments of agitator units as open, dome-shaped shells - in the middle section¯, which are intended, for example, for submerged use in large-scale containers or in open waters.
The device shown in Fig. 1 and 1a consists of a closed, egg-shaped reaction vessel 1, the meridional section of which at least over its essential part corresponds to an exponential function (logarithmic spiral), which in polar coordinates with the general equation r = as or r = ar + b is shown - in the special case also r = er + b where a and b are arbitrary constants, e the base of the natural logarithms. These exponential main sections of the egg-shaped vessel 1 generally merge into a parabolic or hyperbolic profile in the apex areas.
A fluid medium or a liquid to be treated is filled into this egg-shaped reaction vessel 1; In the simplest case, fresh air flows in through the opening or nozzle 2 arranged in the upper apex of the reaction vessel 1, or through this opening 2 additional solid, liquid or gaseous substances M or organic substances, possibly under excess pressure, are introduced - each of course, of course in powder form or in small particles - which are to be mixed into the liquid present in the reaction vessel 1.
In the lower vertex of this treatment vessel 1, a stirrer 4 that can be driven by means of a shaft 3 is inserted - which is designed as a single piece here - and the rotation of which causes the entire contents of the reaction vessel 1 to move in an orderly, spatial rolling, revolving and tumbling motion, in which above all a central suction vortex S is formed, which is directed vertically downwards from the liquid surface towards the agitator 4;
This spatial overturning movement is moreover - as indicated by the two arrow systems in Fig. 1 - a so-called cyclonic flow, in which a vertical, toroidal secondary flow is superimposed on a potential vortex sink, which is guided upwards along the vessel wall and downwards again next to the central suction vortex S. In FIG. 1 a it is particularly evident how the individual liquid particles P generally additionally perform their own rotation p on their helical circulation path - through which a planetary orbital movement arises, so to speak.
FIG. 2 likewise shows a closed, egg-shaped reaction vessel 5, but with the broad end at the bottom, into which a drive shaft 3 with a two-blade agitator 4 'is inserted; a horizontal feed pipe 6 is attached to the side of this reaction vessel 5 at its upper section, through the opening 6 'of which the intended secondary substances or organic substances M are introduced tangentially into the liquid F to be treated close to its surface.
Furthermore, a tube 7 is attached to this egg-shaped reaction vessel 5 at its upper apex and a filter or lens 8 is inserted into it; Through this filter 8, energy particles - such as electrons, photons, etc. - can now be radiated into the medium to be treated or into the liquid from an energy radiation source 9 arranged axially above the reaction vessel 5 during operation.
In such closed, egg-shaped reaction containers according to FIG. 1 or 2, when any chemical or physical reactions or biological processes are carried out, the following process essentially takes place: Within the liquid mass F enclosed in the egg-shaped reaction vessel 1 or 5, its individual particles P in the interaction of the various flow components of the circulating and circulating movement, overall in the outer zone of the interior, in a spiral upward direction, in the upper layers of the medium - d. H. beneath its surface - roughly spirally inwards and finally in the area of the central suction vortex S in ever narrowing trajectories downwards.
Either the fresh air introduced into the reaction vessel 1 through the upper opening 2 and / or the additionally provided secondary substances M - or in the second case, the through the side feed pipe, are now fed into the medium to be treated or into the liquid 6 substances M introduced directly into the liquid - sucked downwards along the central, vertical suction vortex S and intensively mixed in, whereby the intended preparation of the liquid is carried out or a certain chemical reaction or a biological process is brought about.
3 shows only a variant of the device described so far, in which, however, the likewise egg-shaped reaction vessel 10 is open at its upper edge - that is, it is designed like a cup; In the lower apex, a shaft 3 with a single-blade agitator 4 is used. This open reaction vessel can now either be used for treatment or
can be used for the treatment of liquids F filled therein or for use in liquids which are housed in a large-scale container or for use in open waters F '.
The illustrated in Fig. 4 and 5, open stirring units are intended exclusively for submerged use in a liquid F 'of any type - be it for example within a large-scale container, be it preferably in standing or slowly flowing natural water.
In the first case (Fig. 4) the actual agitator itself consists of a wide, dome-shaped shell 20, which is essentially formed from the apex portion of an egg-shaped container of the exponential profile shape described in more detail above and is mounted on a stand 21; In this open shell 20, a shaft 23 driven by a motor 22 is again inserted in the lower apex, on which a sensitive agitator 24 is attached. The entire open agitator 20-24 is set up with its tripod 21 at the bottom of a large, closed or open Flüs sigkeftsbehälters 25 - which can be, for example, a collection tank, a basin, a clarifier, a water reservoir or the like.
In the second exemplary embodiment according to FIG. 5, the open agitator unit is again designed as a dome-shaped bowl 30, which here corresponds to the more slender, approximately paraboloidally shaped apex section of an egg-shaped container; In this open shell 30, a drivable hollow shaft 33 is inserted at the bottom, which carries the sensitive agitator 34; By means of this hollow shaft 33, the liquid mass F located above the open shell 30 and detected by the circulating movement is connected in a communicating manner with the liquid F 'surrounding the agitator unit.
An energy radiation source, by means of which the liquid F'-F to be treated can be supplied with energy particles in a suitable manner, can of course also be arranged above such open, bowl-shaped agitator units 20 or 30.
The mode of operation of this type of open, dome-shaped agitator units, which can be used in a liquid to be treated or in a free, stationary body of water, is easily understandable from what has been said so far: In the liquid mass F above the open bowl 20 or 30 - So roughly within the boundary layer f indicated by dash-dotted lines, essentially a similar, ordered, spatial rolling, revolving and overturning movement with a central, downwardly directed suction vortex S is generated, as in closed, egg-shaped reaction vessels (Fig. 1 and 2).
In the embodiment of the agitator assembly according to FIG. 5 with a hollow drive shaft 33 of the agitator 34, for example, a certain amount can be sucked up in the direction of the arrow S 'into the liquid body F detected by the circulating movement from the surrounding liquid F'.
When using these devices for the intended preparation or treatment of fluid media or liquids - be it in the one form as a reaction vessel or in the other as an open agitator unit - a considerably large liquid mass F is detected and already when the agitator used is driven with relatively little energy expenditure a sufficient, intensive overturning movement produced therein; d. H. both in closed or open reaction vessels 1, 5 and 10 according to FIGS. 1, 2 and 3 as well as in open, dome-shaped stirring units 10 and 20; 30 according to FIGS. 3, 4 and 5 can therefore be stored in a relatively large reaction vessel or
a relatively small agitator 4, 4 'or 24, 34 can be used in a wide open bowl, which is driven to rotate relatively quickly; in particular, the open, ka lotten-shaped agitator units 10 and 20; 30 (FIGS. 4 and 5) can be kept relatively small in comparison to the liquid body F located above it. When the closed or open devices are operated with a relatively fast rotating agitator, the body of liquid captured by the circulating movement will show signs of resonance after some time; In this state, the intensity of the orderly circulating movement can then be increased considerably by increasing the speed of the agitator with only a small expenditure of energy.
The treatment method described in its various variants and the embodiments of the associated device can advantageously be used to carry out a wide variety of physical processes, chemical reactions or even biological processes; This method and the associated devices are particularly intended to produce mixtures, solutions, emulsions, suspensions and the like in fluid media or in liquids in connection with corresponding secondary components in a particularly flawless and effective manner or to prepare drinks with additives, the Secondary components fed to liquids can be any solid, liquid and / or gaseous substances or also organic substances or living organisms;
However, the method or device is primarily used for biological cleaning or for self-cleaning of natural waters - preferably lakes, basins, clarifiers, storage systems, reservoirs for water supply, etc.
Due to the suction vortex - which tapers downwards and accordingly also rotates increasingly faster - is now in the simplest case, such as. B. in natural waters, from the atmosphere above the liquid level, air and thus molecular oxygen into the liquid - which is mixed with organic particles and other material particles, for example - is rapidly poured in and already along the vertical drop of this central suction vortex or .
In the course of the further circulating and circulating movement, an intimate mixing of the entire liquid with this supplied oxygen and as uniform a distribution as possible is achieved.
It has been shown that precisely due to the prescribed special profile shape of the agitator unit to be used - be it as a closed reaction vessel or as an open, dome-shaped bowl - surprisingly, all of these are carried out according to an exponential function (logarithmic spiral) shown in polar coordinates used rotating agitator generated suction and circulation movements are intensified and strengthened.
Compared to the previously used treatment methods, reactions and processes - such as the biological purification of water - which are carried out according to the new process, due to the aforementioned shape of the agitator units according to an exponential function, a significantly higher - possibly even an order of magnitude higher - efficiency achieved; d. H. With regard to the drive power absorbed by the agitator units, a reaction effect that is several times greater is achieved.
In a preferred embodiment of the new method, the medium to be treated or the liquid is accommodated in a spacious, closed container - for example in a closed large tub, a collecting tank, a storage system, a water reservoir or the like - in which liquid and / or and gaseous secondary substances, possibly fresh air, and / or particles of solid substances or
of organic or living substances are stored or in which container the secondary substances in question are supplied from the outside during operation, and that these additives are incorporated by means of one or more agitator units sunk into the enclosed liquid, which are designed as open, dome-shaped shells or additional substances are drawn in vertically through the central suction line and mixed in intensively.
In another variant of this last-mentioned arrangement, one or more agitator units, which are designed as open, dome-shaped shells, are sunk into an essentially stationary natural body of water - which is preferably located in a basin, a clarifier, a lake or the like , by means of which outside air is drawn in vertically through the central suction vortex and intensively mixed in to ventilate the water. In free, natural waters, these open agitator gates are expediently used above the so-called thermocline or in the zone of the greatest bioproduction - generally in several places at the same time and / or one after the other.
In the case of the treatment of liquids in open or closed, large-scale containers as well as in open waters, a portion of the liquid to be treated can also be added tangentially to the area of the moving liquid body formed over a sunk, open agitator unit, which means the horizontal circulation generated by the agitator is supported.
In this treatment of free, stationary waters, the water - in which organic particles and possibly other material particles are present as floating matter or as sediment - is intensively aerated along the central suction vortex with the fresh air drawn in through the same; and within the liquid body above the open agitator unit, which is covered by the further, continuous circulating movement, the organic substances contained in the water are drawn off from the upper layers or raised from the lower to higher levels and in the most intimate manner with the molecular oxygen sucked in Brought in touch.
In stationary waters or in slowly flowing waters whose low flow velocity is not sufficient for the necessary self-cleaning power, practically the same physical and biological effect and thus the same self-cleaning power can be achieved by using the method with its local circulation and circulation movement as in continuously flowing waters ( Rivers); this method is also particularly suitable for accelerating the complex physical, chemical and biological processes in the field of wastewater treatment or for influencing them in a certain desired sense.
When treating other liquids housed in large - open or closed - containers, a completely similar mixing process naturally takes place between the liquid and the additionally introduced - powdery, liquid or gaseous - secondary substances or particles.
Finally, it can be provided that the liquid to be treated - be it within an egg-shaped reaction vessel, be it in a large-scale treatment tank or in the open water - during the spatial overturning movement generated in it additionally with energy particles, such as. B. electrons, photons, etc., which are emitted by a radiation source arranged above the liquid level and introduced into the liquid in the axial direction - preferably along the central, vertical suction vortex.
If electrons or other energy particles are applied to the medium or liquid in question in this way, for example, its molecular structure can be influenced in a certain, desired sense; in particular when UV photons are irradiated, the killing of germs which can thereby be achieved in a known manner can be particularly intensified.
PATENT CLAIM 1
Process for the production of solutions, emulsions or suspensions, in particular in the biological cleaning of open waters, in which process secondary components are added to a fluid medium located within a vessel, these secondary components being mixed into the fluid medium by stirring , characterized in that at least approximately a cyclonic flow is generated by stirring the mass to be treated by means of a rotating agitator arranged near the bottom in the axis of the vessel to form a central, downward suction vortex (S).
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that mineral substances, trace elements or carbonic acid (com) are mixed in for the preparation of beverages.
2. The method according to claim 1, characterized in that the vessel is used in stationary or slowly flowing, natural waters.
3. The method according to claim I, characterized in that solid, liquid and / or gaseous substances are admixed as secondary components.
4. The method according to claim I, characterized in that in the z. B. egg-shaped vessel (1, 5) in which the liquid (F) is located, the secondary components (M) are introduced from the outside through an opening (2, 6 ') in the vessel wall - preferably under excess pressure.
5. The method according to dependent claim 4, characterized in that the secondary components (M) are introduced at least approximately axially through an opening (2) arranged at the top in the vessel (1), where they are transferred through the central suction vortex (S) into the enclosed liquid (F ) are drawn into it.
6. The method according to dependent claim 4, characterized in that the secondary components (M) are introduced at least approximately tangentially directly into the liquid in the egg-shaped vessel (5) through a laterally - preferably close under the liquid level gel- arranged opening (6 ').
7. The method according to claim I, characterized in that a closed large tub, a collecting tank or a water reservoir is used as the vessel (25), in which there is liquid to be treated (F '), and that liquid and / or gaseous over the same Secondary components - e.g. B.
Fresh air and / or particles of organic or living substances are deposited on the surface of the liquid, or that the relevant secondary substances are supplied from the outside during operation, and that one or more agitators sunk into the enclosed liquid (F '), which are designed as open, dome-shaped shells (10, 20, 30), these secondary components are added in such a way that they are drawn in vertically by the central suction vortex (S) and mixed in intensively.
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